보일러 급수펌프 구동 방식에 따른 500 MW급 석탄화력 발전 성능 비교

Abstract

석탄화력 발전 시스템에서 탈기기에 저장된 물을 보일러에 높은 압력으로 공급하는 역할을 하는 보일러 급수펌프는 발전소 운전 시 항상 운전되는 인체의 심장과 같은 기기이다. 500 MW급 석탄화력 발전소의 보일러 급수펌프에서 소비되는 동력(18.2 MW)은 발전 출력의 약 3.2% 수준이다. 발전 출력의 3% ~ 5%인 보일러 급수펌프를 제외한 발전소 내 소비 전력과 비교해 볼 때, 보일러 급수펌프가 석탄화력 발전 시스템에서 차지하는 비중이 매우 큼을 알 수 있다. 보일러 급수펌프의 구동방식에는 터빈 구동 방식과 전동기 구동 방식이 있다. 기기의 신뢰성, 효율 및 배치 등을 종합적으로 고려하여 대부분의 국내 석탄화력 발전소는 터빈 구동 방식의 보일러 급수펌프를 설치하여 운전하고 있다. 하지만 유럽 등 해외 발전소의 경우 전동기 구동 방식 보일러 급수펌프를 적용한 사례가 다수 있다. 본 연구에서는 500 MW급 화력 발전 시스템을 모델링하여 보일러 급수펌프 구동원의 효율 변경과 복수기 압력 변경에 따른 발전 시스템의 성능 변화를 해석하였다. 연구 대상 500 MW급 석탄화력 발전소의 밸브 전개 출력(Valve wide open, VWO) 조건에서 보일러 급수펌프 구동 터빈의 등엔트로피 효율은 약 83.5%이며 배기 조건은 6.4 kPa, 2393.6 kJ/kg이고, 저압터빈의 등엔트로피 효율은 약 91.6 %이며 배기 조건은 5.1 kPa, 2300.2 kJ/kg이고, 보일러 급수펌프 구동 터빈 유입 증기량은 저압터빈 유입 증기량의 약 8 % 이다. 보일러급수펌프 구동 터빈의 효율이 1%p 증가할 경우 발전 시스템의 출력(Net output)은 약 253 kW가 증가되고, 효율(Net efficiency)은 약 0.021%p 증가된다. 가변속 유체 커플링의 효율이 94%일 때, 보일러급수펌프 구동 전동기의 효율이 1%p 증가할 경우 발전 시스템의 출력(Net output)은 약 229 kW가 증가되고, 효율(Net efficiency)은 약 0.019%p 증가된다. 복수기 압력이 변화하여 저압 터빈과 보일러 급수펌프 구동 터빈의 전후단 비엔탈피 차이의 비(Specific enthalpy difference ratio)가 1%p 증가할 때, 보일러 급수펌프 구동 전동기를 대체하기 위해 요구되는 보일러 급수펌프 구동 터빈의 효율은 약 0.62%p 증가한다. 전동기 구동 방식 급수펌프를 적용한 발전 시스템의 성능보다 터빈 구동 방식 보일러 급수펌프를 적용한 발전 시스템의 성능이 항상 우수한 급수펌프 구동 터빈의 등엔트로피 효율이 존재한다. 또한 보일러 급수펌프 구동 전동기를 대체하기 위한 보일러 급수펌프 구동 터빈의 효율은 복수기 압력이 증가할수록 감소하고 복수기 압력이 감소할수록 증가한다. 그러므로 복수기 압력은 보일러 급수펌프 구동원의 효율과 함께 보일러 급수펌프 구동 방식을 결정하는 주요 인자 중 하나로 판단된다.